LY12硬铝合金高速切削加工残余应力的研究

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1、·现代设计与先进制造技术·王神洲徐人平郭淼LY12硬铝合金高速切削加工⋯⋯33LY12硬铝合金高速切削加工残余应力的研究王神洲，徐人平，郭淼(昆明理工大学机电与工程学院，云南昆明650093)摘要：对LY12硬铝合金在高速切削加工过程中出现的高度非线性问题，采用有限元软件US对切削过程进行仿真，得到了高速切削加工过程中的残余应力分布。讨论了高速切削加工过程中影响残余应力分布的几个关键因素：切削速度、背吃刀量、刀尖圆角半径，从而为以后{获得基于残余应力的刀具参数优化方案提供了依据。关键词：硬铝合金；高速切削；残余应力；高度非线性；刀具参数中图分类号：TB121文献标识码

2、：A文章编号：1672—1616(2011)19—0033—9s高速切削加工技术是一项比较新型的先进制仿真过程中采用一个考虑了各因素对材料应力的造加工技术，已成为现代机械加工技术一个重要的影响能够比较准确的材料加工特性的本构模型是发展方向，具有广阔的市场发展前景。与传统切削非常重要的。本文采用的Johnson—Cook材料本技术相比⋯1，它可以在实现较高的切削速度的同构模型考虑了高速切削过程中加工过程的硬化现时还能有较大的进给量，因此材料去除率高、生产象和温度对材料软化的影响。它的模型表达式为：率高；高速切削时，切削产生的切削力和工件表面=[A+B(￡](+)·的切削

3、温度都比传统加工时低，故被加工工件表面质量能得到一定的提升；高速切削加工时，由于背1一(L_--一t~～]]吃刀量减少，在切削过程中产生的切削力小，能实现以往难以实现的加工，如薄壁零件以及复杂形状式中：A为初始屈服应力；B为硬化模量；C为应零件的加工等。变率依赖系数；m为热软化系数；咒为加工硬化指切削加工时产生的残余拉应力会使工件的疲数；el为熔点温度(LY硬铝合金取1520℃)；劳强度降低，甚至会使加工表面产生微裂纹；分布￡一为材料周围的初始温度(20~C)；0为参考应不均匀的残余压应力会使工件发生变形，从而会对变率(1／s)；e。为等效塑性应变；为塑性应变率。工件

4、的形状和尺寸精度产生影响，因此分析切削残b．切削分离准则。余应力产生的原因，研究其分布规律对工件表面加在高速切削时，脱离出来的切屑形状会因所切工质量的控制具有重要的工程意义。削的材料不同而不同。为了实现切屑的脱离仿真过程，需要为材料单元指定一定的分离准则。几何1LY12硬铝合金高速切削加工时表分离准则和物理分离准则是ABAQUS软件中所面残余应力的研究包括的材料分离准则，几何准则的不足之处在于分1．1建立二维切削有限元模型离临界值的不同选择会影响到仿真结果的精确性，而加工不同的材料需要不同的临界值，比较难以选采用软件ABAQUS内部的求解器QUS／择。物理分离准则通过

5、物理量是否达到预设的临Explicit对切削过程进行高度非线性仿真模界值来判断单元是否发生分离，由于物理分离准则拟[2-4J，在建立二维切削有限元模型时遵循以下的采用可以使仿真结果更加接近于实际情况，故本规则：文采用物理分离准则的无量纲库伦分离准则，将a．采用Johnson—Cook材料本构模型。0．09设为其分离系数。由于在高速切削加工过程中，工件材料将会在c．单元网格的重新划分。大应变、高温的情况下发生热弹塑性变形，因此在收稿日期：2011—03～22作者简介：王神洲(1986一)，男，湖北荆州人，昆明理工大学硕士研究生，主要研究方向为设计理论及方法。2011年1

6、0月中国制造业信息化第40卷第19期着距已加工表面距离的增加，残余拉应力逐渐减时，残余应力层深度分别为0．6和1．0，可见残余应少。在距已加工表面0．20ram～0．30ram范围内力层的分布深度受背吃刀量影响明显。造成这种最小，此处残余应力值为0，随着距离进一步加深，现象的原因是：随着背吃刀量的增大，切削深度增已加工表面上的残余拉应力转化为残余压应力。加，切削温度升高，热应力引起的残余拉应力也随残余压应力绝对值的最大值出现在距已加工表面之增加。0．35nml-0．45mm范围内，随后将下降，且残余压2．3刀尖圆角半径对残余应力的影响应力绝对值的最大值会随着切削速度的

7、增加而增刀尖圆角半径分别为0．01mm、0．03mm、加。0．05mm、0．1Omm时工件上残余应力分布情况如●随着切削速度的提升，切削残余应力层在工件图6所示。从图6中可以看出：工件表层的残余应上的分布深度也将会逐步增大，但增加的幅度不力为拉应力，工件表面同一深度的拉应力值随着刀大。当切削速度分别为720m／rain和1500m／rain尖圆角半径增加而减少，残余拉应力随着距工件已时，残余应力厚度分别为0．6mm和0．8mm。造成加工表面距离增加迅速减少，在距已加工表面这种现象的原因是：切削速度增大造成高温引起的0．20mm-0．27mm最小且值为